Las membranas de óxido de grafeno muestran un comportamiento inusual del agua a nanoescala

Las membranas de óxido de grafeno muestran un comportamiento inusual del agua a nanoescala


05/08/2022

(Noticias de Nanowerk) ¿Más poros en un tamiz permiten que fluya más líquido? Como descubrieron los científicos de materiales, esta pregunta aparentemente simple podría generar una respuesta inesperada a nanoescala, y podría tener implicaciones importantes para el desarrollo de la filtración de agua, el almacenamiento de energía y la producción de hidrógeno.

Investigadores de UNSW Sydney, la Universidad de Duisburg-Essen (Alemania), GANIL (Francia) y el Instituto Tecnológico de Toyota (Japón) que experimentan con membranas de óxido de grafeno (GO) han descubierto que puede ocurrir lo contrario a nivel nanoscópico. El estudio, publicado en nano letras («Mass Transport via In-Plane Nanopores in Graphene Oxide Membranes») muestra que el entorno químico del tamiz y la tensión superficial del líquido juegan un papel sorprendentemente importante en la permeabilidad.

Los investigadores observaron que la densidad de los poros no necesariamente da como resultado una mayor permeabilidad al agua; en otras palabras, los agujeros más pequeños no siempre dejan pasar el agua a nanoescala. El estudio, financiado por la Unión Europea y la Fundación de Investigación Humboldt, arroja nueva luz sobre los mecanismos que controlan el flujo de agua a través de las membranas GO.

«A medida que haces más y más agujeros en un tamiz, esperas que se vuelva más permeable al agua. Pero, sorprendentemente, eso es lo contrario de lo que sucedió en nuestros experimentos con membranas de óxido de grafeno», dice el profesor asociado Rakesh Joshi, autor principal del estudio de la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales, UNSW Science.

Cambio en el entorno químico.

GO es una forma extremadamente delgada de carbono que se ha mostrado prometedora como material para la purificación del agua. El compuesto químico consiste en una sola capa de átomos de carbono con átomos de oxígeno e hidrógeno unidos a ellos. Si imagina esparcir ladrillos LEGO por todo el suelo, el suelo serían los átomos de carbono y los átomos de oxígeno e hidrógeno serían los ladrillos LEGO.

En química, las moléculas pueden tener los llamados «grupos funcionales» que son hidrofóbicos (repelentes al agua) o hidrofílicos (atrayentes de agua). Los poros del grafeno también pueden ser hidrofóbicos o hidrofílicos.

«Sorprendentemente, no es la cantidad de poros lo que es más importante para el flujo de agua (el flujo de agua a través de una membrana), sino si los poros son hidrofóbicos o hidrofílicos», dice Tobias Foller, estudiante de doctorado en UNSW Scientia y primer autor. de El estudio. «Esto es muy inesperado ya que las capas GO tienen solo un átomo de espesor. Esperas que el agua simplemente atraviese los poros, ya sea que atraigan o rechacen el agua”.

A pesar de la presencia de muchos agujeros diminutos en los filtros GO utilizados en la investigación, mostraron un bloqueo total del agua en el caso de los poros hidrofóbicos.

“Con los filtros normalmente esperas más flujo de agua con más orificios. Pero en nuestro caso, donde tenemos más agujeros, el flujo de agua es menor, y eso se debe a la naturaleza química de los agujeros de óxido de grafeno, que en este caso son repelentes al agua», dice la profesora Marika Schleberger, coautora del estudio de Duisburg, Alemania.

Efectos inusuales de la tensión superficial

Los investigadores también dicen que la tensión superficial también contribuye a la interacción del agua con los poros GO. La tensión superficial ocurre porque las moléculas como el agua quieren pegarse entre sí. Confinado en un espacio lo suficientemente pequeño, los enlaces entre el agua (cohesión) y las superficies sólidas circundantes (fuerza adhesiva) pueden actuar para mover el agua. Esto explica cómo los árboles pueden vencer la gravedad para transportar agua desde sus raíces a través de sus capilares hasta sus hojas.

Con las membranas GO, donde los «capilares» en este caso son poros que están en la escala de 1 millonésima de milímetro o menos, las mismas fuerzas que permiten que el agua suba por los capilares de los árboles evitan que fluya a través de los poros de la membrana.

“Si encierras agua en los capilares más pequeños posibles, de unos pocos átomos de tamaño, las moléculas de agua se atraen con tanta fuerza que forman una red densa. Sin perturbaciones, esta red es tan fuerte que no puede liberar las moléculas y permitirles pasar a través del tamiz, incluso si aumenta el número de poros”, dice el Sr. Foller.

Las pantallas ultrafinas hechas de diferentes materiales tienen una amplia gama de posibles usos. Los investigadores dicen que sus hallazgos ayudarán a los científicos a afinar el transporte de líquidos en tamices atómicos y podrían impulsar desarrollos como sistemas de filtración de agua de alta precisión.

«Al comprender qué parámetros aumentan o disminuyen el flujo de agua, podemos optimizar muchas aplicaciones posibles del óxido de grafeno para la purificación del agua, el almacenamiento de energía, la producción de hidrógeno y más», dice el Sr. Foller. «Esperamos que otros ingenieros y científicos puedan utilizar este nuevo conocimiento para mejorar sus propios dispositivos y generar nuevos desarrollos en el futuro».



Related post

Actualización del costo de mantenimiento de Tesla Model 3 Standard Range después de 3 años y 27,000 millas

Actualización del costo de mantenimiento de Tesla Model 3…

Uno de nuestros autores, Fritz Hasler, escribió recientemente una breve reseña de su Tesla Model 3 Long Range después de 75…
Tesco está electrificando las entregas a más de 400 tiendas del centro de la ciudad en el Gran Londres

Tesco está electrificando las entregas a más de 400…

Tesco es el primer minorista en lanzar un camión eléctrico de cero emisiones para realizar entregas desde sus centros de distribución…
El panel de la FAA analiza las mejores prácticas de seguridad pública con drones

El panel de la FAA analiza las mejores prácticas…

El canal de YouTube de la FAA incluye una grabación de un evento reciente donde un panel de expertos en seguridad…

Leave a Reply

Tu dirección de correo electrónico no será publicada.